Gibanje je življenje. Ta stavek si lahko razlagamo kot motivacijo za napredovanje, ne za mirovanje in doseganje želenega, in kot izjavo dejstva, da skoraj vsa živa bitja večino svojega življenja preživijo v gibanju. Da se naši gibi in premiki v prostoru ne končajo vsakič z izboklinami na čelu in zlomljenimi mezinci na nogah, naši možgani uporabljajo shranjene »zemljevide« okolja, ki nezavedno nastajajo v trenutku našega gibanja. Vendar pa obstaja mnenje, da možgani te zemljevide ne uporabljajo tako rekoč od zunaj, ampak tako, da postavijo osebo na ta zemljevid in zbirajo podatke iz pogleda prve osebe. Znanstveniki z bostonske univerze so se odločili dokazati to teorijo z izvedbo serije praktičnih poskusov z laboratorijskimi podganami. Kako možgani dejansko krmarijo v prostoru, katere celice so vključene in kakšno vlogo ima ta raziskava za prihodnost avtonomnih avtomobilov in robotov? O tem izvemo iz poročila raziskovalne skupine. pojdi
Raziskovalna osnova
Torej, dejstvo, ugotovljeno pred mnogimi leti, je, da je glavni del možganov, odgovoren za orientacijo v prostoru, hipokampus.
Hipokampus sodeluje pri različnih procesih: nastajanju čustev, preoblikovanju kratkoročnega spomina v dolgoročni spomin in nastajanju prostorskega spomina. Prav slednji je vir prav tistih »zemljevidov«, ki jih naši možgani v pravem trenutku prikličejo za učinkovitejšo orientacijo v prostoru. Z drugimi besedami, hipokampus hrani tridimenzionalne nevronske modele prostora, v katerem se nahaja lastnik možganov.
Hipokampus
Obstaja teorija, ki pravi, da je med dejansko navigacijo in zemljevidi iz hipokampusa vmesni korak – pretvorba teh zemljevidov v prvoosebni pogled. To pomeni, da oseba poskuša razumeti, kje se nekaj nahaja, ne na splošno (kot vidimo na resničnih zemljevidih), ampak kje se bo nekaj nahajalo glede na njega (kot funkcija "pogled ulic" v Google Zemljevidih).
Avtorji dela, ki ga obravnavamo, poudarjajo naslednje: Kognitivni zemljevidi okolja so zakodirani v hipokampalni tvorbi v alocentričnem sistemu, motorične sposobnosti (sami gibi) pa so predstavljene v egocentričnem sistemu.
UFO: Enemy Unknown (alocentrični sistem) in DOOM (egocentrični sistem).
Razlika med alocentričnimi in egocentričnimi sistemi je podobna razliki med igrami s pogledom tretje osebe (ali stranskim pogledom, pogledom od zgoraj itd.) in igrami s pogledom prve osebe. V prvem primeru je za nas pomembno samo okolje, v drugem pa naš položaj glede na to okolje. Tako je treba alocentrične navigacijske načrte pretvoriti v egocentrični sistem za dejansko izvajanje, tj. gibanje v prostoru.
Raziskovalci verjamejo, da gre za dorsomedialno striatum (DMS)* igra ključno vlogo v zgornjem procesu.
Striatum človeških možganov.
striatum* - del možganov, ki pripada bazalnim ganglijem; striatum je vključen v regulacijo mišičnega tonusa, notranjih organov in vedenjskih reakcij; Striatum se imenuje tudi "striatum" zaradi njegove strukture izmeničnih pasov sive in bele snovi.
DMS prikazuje nevronske odzive, povezane s sprejemanjem odločitev in izvajanjem dejanj v zvezi z navigacijo v vesolju, zato je treba to področje možganov podrobneje preučiti.
Rezultati raziskav
Da bi ugotovili prisotnost/odsotnost egocentričnih prostorskih informacij v striatumu (DMS), so 4 podganjim samcem vsadili do 16 tetrod (posebnih elektrod, povezanih z želenimi predeli možganov), ki ciljajo na DMS (1).
Slika #1: Odziv striatnih celic na okoljske meje v egocentričnem referenčnem okviru.
Pojasnila k sliki št. 1:а — točke lokacije tetrode;
b — zemljevid egocentrične meje;
с — alocentrične prostorske karte (4 kvadratki na levi), barvno kodirane krivulje lokacij vrhov celičnega odziva glede na položaj telesa in egocentrične karte (4 kvadratki na desni), ki temeljijo na odzivu celic EBC pri različnih orientacijah in razdalje med podgano in steno;
d - kot v 1s, vendar za EBC s prednostno oddaljenostjo od živali;
e - kot v 1s, vendar za dva inverzna EBC;
f — porazdelitev povprečne nastale dolžine za opazovane celice;
g - porazdelitev povprečne končne dolžine za EBC z uporabo smeri gibanja in smeri glave;
h — porazdelitev povprečnega odziva celic (vse in EBC).
Izvedenih je bilo 44 poskusov, v katerih so podgane zbirale naključno raztreseno hrano v znanem prostoru (na odprtem, ne v labirintu). Posledično je bilo zabeleženih 939 celic. Iz zbranih podatkov je bilo identificiranih 31 celic v smeri glave (HDC), vendar je le majhen del celic, natančneje 19, imel alocentrične prostorske korelate. Poleg tega je bila aktivnost teh celic, omejena z obodom okolja, opažena le med gibanjem podgane vzdolž sten testne komore, kar kaže na egocentrično shemo za kodiranje meja prostora.
Da bi ocenili možnosti takšne egocentrične reprezentacije na podlagi največje celične aktivnosti, so bili ustvarjeni zemljevidi egocentričnih mej (1b), ki ponazarjajo orientacijo in razdaljo mej glede na smer gibanja podgane, ne pa položaja njene glave (primerjava z 1g).
18 % posnetih celic (171 od 939) je pokazalo pomemben odziv, ko je meja komore zasedla določen položaj in orientacijo glede na eksperimentalno (1f). Znanstveniki jih imenujejo egocentrične mejne celice (EBC). egocentrične mejne celice). Število takih celic pri poskusnih osebah je bilo od 15 do 70 s povprečno vrednostjo 42.75 (1c, 1d).
Med celicami egocentričnih meja so bile tiste, katerih aktivnost se je zmanjšala kot odziv na meje komore. Skupaj jih je bilo 49 in so jih imenovali inverzni EBC (iEBC). Povprečni odziv celic (njihov akcijski potencial) pri EBC in iEBC je bil precej nizek - 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
Celična populacija EBC se odziva na vse orientacije in položaje meje komore glede na preizkušanca, vendar je porazdelitev prednostne orientacije bimodalna z vrhovi, ki se nahajajo 180° drug nasproti drugega na obeh straneh živali (-68° in 112°) , ki je rahlo zamaknjena od pravokotnice na vzdolžno os živali za 22° (2d).
Slika #2: Prednostna usmeritev in razdalja za odziv egocentričnih mejnih celic (EBC).
Pojasnila k sliki št. 2:a — egocentrične mejne karte za štiri sočasno pregledane EBC z različnimi prednostnimi usmeritvami, navedenimi nad vsakim grafom;
b - položaj tetrod v skladu s celicami iz 2 (številke označujejo številko tetrode);
с — porazdelitev verjetnosti prednostnih orientacij za vse EBC ene podgane;
d — porazdelitev verjetnosti prednostnih orientacij za EBC vseh podgan;
е — položaji tetrode za celice, prikazane v 2f;
f - egocentrične mejne karte za šest sočasno posnetih EBC z različnimi prednostnimi razdaljami, navedenimi nad vsakim grafom;
g — verjetnostna porazdelitev prednostne razdalje za vse EBC ene podgane;
h — verjetnostna porazdelitev prednostne razdalje za EBC vseh podgan;
i je polarni prikaz želene razdalje in prednostne orientacije za vse EBC, pri čemer je velikost prostora predstavljena z barvo in premerom pik.
Porazdelitev prednostne razdalje do meje je vsebovala tri vrhove: 6.4, 13.5 in 25.6 cm, kar kaže na prisotnost treh različnih prednostnih razdalj med EBC (2f -2h), kar je lahko pomembno za strategijo hierarhičnega navigacijskega iskanja. Velikost receptivnih polj EBC se je povečala kot funkcija želene razdalje (2i), kar kaže, da se natančnost egocentrične predstavitve meja povečuje z zmanjševanjem razdalje med steno in eksperimentalnim subjektom.
Pri želeni orientaciji in razdalji ni bilo jasne topografije, saj so se subjektovi aktivni EBC z različnimi orientacijami in razdaljami glede na steno pojavili na isti tetrodi (2a, 2b, 2e и 2f).
Ugotovljeno je bilo tudi, da se EBC dosledno odzivajo na meje prostora (stene komore) v kateri koli različici preskusne komore. Da bi potrdili, da se EBC odzivajo na lokalne meje komore in ne na njene distalne značilnosti, so znanstveniki "zasukali" položaj kamere za 45° in naredili več sten črnih, zaradi česar je drugačna od tiste, uporabljene v prejšnjih testih.
Podatki so bili zbrani v običajni preskusni komori in v rotirani. Kljub spremembi v preskusni komori so vse prednostne orientacije in razdalje glede na stene preizkušancev EBC ostale enake.
Glede na pomembnost kotov je bila upoštevana tudi možnost, da EBC edinstveno kodirajo te lokalne okoljske atribute. Z izolacijo razlike med odzivom blizu vogalov in odzivom blizu sredine stene smo identificirali podmnožico celic EBC (n = 16; 9,4 %), ki kažejo povečan odziv na vogale.
Tako lahko naredimo vmesni zaključek, da so celice EBC tiste, ki se dobro odzivajo na obod komore, to je na stene testne komore in njene vogale.
Nato so znanstveniki preizkusili, ali je odziv celic EBC na odprt prostor (testna arena brez labirinta, tj. samo 4 stene) enak za različne različice območja testne sobe. Izvedeni so bili 3 poteki, v vsakem od njih se je dolžina sten razlikovala od prejšnjih za 50 cm.
Ne glede na velikost preskusne komore so se EBC-ji odzvali na njene meje na enaki razdalji in usmerjenosti glede na preizkušanca. To pomeni, da se odziv ne prilagaja velikosti okolja.
Slika #3: Stabilen odziv celic EBC na prostorske meje.
Pojasnila k sliki št. 3:а — egocentrične karte EBC v normalnih pogojih (levo) in ko je bila preskusna komora zasukana za 45° (desno);
b — egocentrične karte EBC za kamero dimenzij 1.25 x 1.25 m (levo) in za povečano kamero 1.75 x 1.75 m (desno);
с — egocentrične karte EBC z navadnimi črnimi stenami komor (levo) in z vzorčastimi stenami (desno);
d -f — grafe prednostne razdalje (zgoraj) in sprememb prednostne orientacije glede na osnovno črto (spodaj).
Ker striatum prejema informacije o okolju iz več področij možganske vidne skorje, so znanstveniki preizkusili tudi, ali videz sten vpliva na (3s) prekate na odziv celic EBC.
Spreminjanje videza meja prostora ni vplivalo na reakcijo celic EBC ali na razdaljo in orientacijo, potrebno za reakcijo glede na poskusnega subjekta.
Slika #4: Doslednost odziva celic EBC ne glede na okolje.
Pojasnila k sliki št. 4:а — egocentrični zemljevidi za EBC v znanem (levo) in novem (desno) okolju;
b — egocentrične karte za EBC, pridobljene v istem okolju, vendar s časovnim intervalom;
с — grafe prednostne razdalje (zgoraj) in sprememb prednostne orientacije glede na osnovno črto (spodaj) za nova (neznana) okolja;
d — grafe prednostne razdalje (zgoraj) in sprememb prednostne orientacije glede na osnovno linijo (spodaj) za predhodno raziskana (znana) okolja.
Ugotovljeno je bilo tudi, da se odziv celic EBC ter zahtevana orientacija in razdalja glede na poskusnega subjekta sčasoma ne spremenijo.
Vendar je bil ta "časovni" preskus izveden v isti preskusni komori. Preveriti je bilo treba tudi, kakšna je razlika med odzivom EBC na znane pogoje in na nove. Da bi to naredili, je bilo izvedenih več poskusov, ko so podgane preučevale komoro, ki so jo že poznale iz prejšnjih testov, in nato nove komore z odprtim prostorom.
Kot ste morda uganili, je odziv celice EBC + želena orientacija/razdalja ostala nespremenjena v novih komorah (4a, 4c).
Tako odziv EBC zagotavlja stabilno predstavitev meja okolja glede na testiranca v vseh vrstah tega okolja, ne glede na videz sten, površino testne komore, njeno gibanje in čas subjekt preživel v zbornici.
Za podrobnejšo seznanitev z odtenki študije priporočam ogled и njemu.
Epilog
V tem delu je znanstvenikom uspelo v praksi potrditi teorijo o egocentrični predstavi okolja, ki je izjemno pomembna za orientacijo v prostoru. Pokazali so, da med alocentrično prostorsko predstavitvijo in dejanskim delovanjem obstaja vmesni proces, ki vključuje določene celice v striatumu, imenovane egocentrične mejne celice (EBC). Ugotovljeno je bilo tudi, da so bili EBC bolj povezani z nadzorom gibanja celotnega telesa in ne le glave preiskovancev.
Namen te študije je bil ugotoviti celoten mehanizem orientacije v prostoru, vse njegove komponente in spremenljivke. To delo bo po mnenju znanstvenikov dodatno pomagalo izboljšati navigacijske tehnologije za avtonomne avtomobile in za robote, ki bodo lahko razumeli prostor okoli sebe, tako kot mi. Raziskovalci so izjemno zadovoljni z rezultati svojega dela, ki dajejo razlog za nadaljnje preučevanje odnosa med nekaterimi predeli možganov in načinom navigacije v prostoru.
Hvala za branje, ostanite radovedni in lep teden, fantje! 🙂
Hvala, ker ste ostali z nami. So vam všeč naši članki? Želite videti več zanimivih vsebin? Podprite nas tako, da oddate naročilo ali priporočite prijateljem, 30% popust za uporabnike Habr na edinstvenem analogu začetnih strežnikov, ki smo ga izumili za vas: (na voljo z RAID1 in RAID10, do 24 jeder in do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2-krat cenejši? Samo tukaj na Nizozemskem! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 $! Preberite o
Vir: www.habr.com